一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法与流程

[0001]
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法。


背景技术：

[0002]
泡沫铝是一种轻质高强的结构材料，具有优秀的隔热，隔音，减震，阻尼的能力。获得了汽车，航空航天等工业领域的广泛兴趣，并取得了很好的应用效果。科学技术进步对材料性能提出了新的要求，提高金属泡沫材料的性能探索也从未停下脚步。
[0003]
目前泡沫铝材料的主要制备方法有熔体发泡法，吹气法，粉末冶金法等，熔体发泡法制备过程简单，成本相对较低适用于工业生产。
[0004]
泡沫铝合金的孔结构决定其的力学性能，通过对泡沫铝合金孔结构调节可获得更优异的综合性能。
[0005]
现有的泡沫铝合金强度梯度为通过耦合铝熔体泡沫生长和凝固过程，在泡沫铝中产生沿生长方向的密度梯度。密度梯度会导致泡沫铝材料质量分布的非对称性，难以满足特殊领域对材料平衡性的要求。
[0006]
研究表明，强度梯度的泡沫铝具有更优异的冲击吸能性能，在高速冲击时可产生更理想的冲击平台应力，在最大许用冲击应力条件下，可吸收更多的冲击能量。


技术实现要素：

[0007]
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法，通过调控时效过程中温度的梯度分布从而得到泡沫铝合金内的强度梯度分布。
[0008]
一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法，包括如下步骤：
[0009]
1)采用熔体发泡法制备铝铜合金泡沫，得到具有均匀孔隙率的泡沫铝铜合金；
[0010]
2)将步骤1)制备得到具有均匀孔隙率的泡沫铝铜合金，将其进行梯度温度时效处理；
[0011]
3)采用上述梯度温度时效处理的铝铜泡沫合金结构件，设计不同温度区间产生微结构梯度，获得泡沫结构件的强度梯度。
[0012]
进一步地，步骤1)中，所述的铝铜合金成分为al-9cu，铜占合金成分的1-9wt.％。
[0013]
进一步地，步骤1)中，所述的采用熔体发泡法制备铝铜合金泡沫，包括如下步骤：
[0014]
1.1)将铝铜合金(纯度99.99％的铝锭与99.99％的铜锭按照铜占总重量的1-9wt.％的含量)放入电阻炉中的坩埚中加热到800℃以上熔融备用，并使用搅拌器搅拌使得铝铜熔体充分混合均匀，保温到675-690℃；
[0015]
1.2)将稳定剂碳化硅按照占合金总重的3-8wt.％，钙占合金总重的0.5-1.0wt.％的比例加入熔体中，并用搅拌器以中速800-1000转每分钟的速度搅拌10分钟以上，保证稳定剂均匀分散在熔体中，保温至675℃；
[0016]
1.3)加入占合金总重量1.5-2.0wt％的氢化钛作为发泡剂，搅拌器以高速1200-1500转每分钟的速度搅拌60-90秒，之后取出冷却；
[0017]
1.4)采用全方位水冷，在坩埚的底部以及四周以相同的水速冷却坩埚，冷却凝固后取出铝铜泡沫结构件，去除表皮，切出长度为150mm，直径为30mm的铝铜泡沫结构件备用；
[0018]
进一步地，步骤2)中，所述的将其进行梯度温度时效处理，包括如下步骤：
[0019]
2.1)将制备好的铝铜泡沫结构件放入520℃-540℃环境中保温8小时以上进行固溶；
[0020]
2.2)将固溶处理好的铝铜泡沫结构件进行单向时效处理，处理方式为用保温材料包裹结构件四周，一侧以180-200℃温度范围加热5-10小时，同时在另一侧用冷水持续降温，从而在铝铜泡沫结构件中产生温度梯度。
[0021]
进一步地，步骤3)中，所述的设计不同温度区间产生微结构梯度，包括如下步骤：
[0022]
3.1)将进行梯度温度时效处理后的铝铜泡沫结构件放入加热至510-540℃的电阻炉中保温10小时以上，取出后淬火；
[0023]
3.2)将淬火后的试样用保温材料包裹四周，使得泡沫铝合金试样单向加热，圆柱样品四周不受外界温度的干扰；将样品一端采用100-200℃加热，另一端采用流动冷却水冷却，从而在试样内形成温度梯度，保持7小时以上时效；
[0024]
3.3)将时效好的样品取出空冷；对样品进行检测。
[0025]
发明原理：通过耦合熔体泡沫生长和凝固过程，在泡沫铝合金内产生了明显的密度梯度，实现了基于密度梯度的强度梯度泡沫铝合金制备。泡沫铝合金密度梯度的实现受到泡沫生长方向的限制，为了扩展泡沫铝合金强度梯度设计，本发明提出了利用泡沫金属低热导率在泡沫铝合金中产生梯度温场，在时效强化工艺中，不同空间位置的温度差异导致基体材料微结构梯度和梯度强化效果，从而在泡沫铝合金中产生强度梯度。有研究表明钙会在铝铜合金晶界处偏析，形成铝铜钙合金相而弱化基体强度，导致时效强化效果不佳。为此，本发明创新提出了利用碳化硅加钙粒的组合作为熔体泡沫稳定剂，在起到相同铝熔体泡沫稳定效果的同时降低钙含量，提高时效强化效果。
[0026]
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法，采用铝铜合金作为泡沫铝的基体合金，采用氢化钛和钙作为发泡剂与泡沫稳定剂，通过调控时效过程中温度的梯度分布从而得到泡沫铝合金内的强度梯度分布。本发明采用单向轴向梯度温度加热时效处理泡沫铝铜金属以设计梯度结构，验证了其压缩性能，有利于改变目前通过调控密度梯度得到强度梯度分布的单一模式，且能够在多维度条件下得到具有复杂强度梯度的泡沫铝合金，满足工业的高性能需求。
附图说明
[0027]
图1为孔隙率80％的均匀孔隙率铝铜合金泡沫；
[0028]
图2为样品时效处理方法概念图；
[0029]
图3为不同位置处样品的时效处理温度曲线，不同曲线位置对应图2中热电偶摆放位置；
[0030]
图4为不同位置处取得的样品的应力应变曲线，1、2、3、4对应图2中样品的位置；
[0031]
图5为梯度样品与未处理样品应力应变曲线图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
[0033]
一种基于铝铜合金泡沫强度梯度设计方法，包括如下步骤：
[0034]
1)铝铜合金泡沫，主要合金成分为al-9cu，铜占合金成分的1-9wt.％；
[0035]
2)熔体发泡法制备铝铜合金泡沫，采用3-8wt.％碳化硅和0.5-1wt.％钙作为稳定剂，在制备过程中起到稳定泡沫的作用；
[0036]
3)将制备得到具有均匀孔隙率的泡沫铝铜合金，将其进行时效处理，处理的方式为：
[0037]
3.1)将制备好的铝铜泡沫结构件放入520℃-540℃环境中保温8小时以上进行固溶；
[0038]
3.2)将固溶处理好的铝铜泡沫结构件进行单向时效处理，处理方式为用保温材料包裹结构件四周，一侧以180-200℃温度范围加热5-10小时，同时在另一侧用冷水持续降温，从而在结构件中产生温度梯度；
[0039]
4)采用上述梯度温度时效处理的铝铜泡沫合金结构件，设计不同温度区间产生微结构梯度，获得泡沫结构件的强度梯度。
[0040]
具体步骤为：
[0041]
s1、将纯度99.99％的铝锭与99.99％的铜锭按照铜占总重量的1-9wt.％的含量放入电阻炉中的坩埚中加热到800℃以上熔融备用，并使用搅拌器搅拌使得铝铜熔体充分混合均匀，保温到675-690℃；
[0042]
s2、将稳定剂碳化硅按照占合金总重的3-8wt.％，钙占合金总重的0.5-1.0wt.％的比例加入熔体中，并用搅拌器以中速800-1000转每分钟的速度搅拌10分钟以上，保证稳定剂均匀分散在熔体中，保温至675℃；
[0043]
s3、加入占合金总重量1.5-2.0wt％的氢化钛作为发泡剂，搅拌器以高速1200-1500转每分钟的速度搅拌60-90秒，之后取出冷却；
[0044]
s4、采用全方位水冷，在坩埚的底部以及四周以相同的水速冷却坩埚。冷却凝固后取出泡沫结构件，去除表皮，切出长度为150mm，直径为30mm的圆柱样品备用；
[0045]
s5、将圆柱样品放入加热至510-540℃的电阻炉中保温10小时以上，取出后淬火；
[0046]
s6、将淬火后的试样用保温材料包裹四周，使得泡沫铝合金试样单向加热，圆柱样品四周不受外界温度的干扰；将样品一端采用100-200℃加热，另一端采用流动冷却水冷却，从而在试样内形成温度梯度，保持7小时以上时效；
[0047]
s7、将时效好的样品取出空冷；对样品进行检测。
[0048]
实施例1：
[0049]
ss1、将纯度99.99％的铝锭850克与99.99％的铜锭85克放入电阻炉中的坩埚中，升温至800℃熔融，使用搅拌器以300转每分钟的转速搅拌30分钟使得铝铜熔体充分混合均匀，并降温至680℃保温。
[0050]
ss2、将碳化硅47.0克，钙粒9.4克分别包好后再按照先加入钙粒再加入碳化硅的顺序加入熔体中，每次放入后用搅拌器以900转每分钟的速度搅拌10分钟，控温至675℃保温。
[0051]
ss3、加入14克的氢化钛作为发泡剂，加入后搅拌器以1200转每分钟的速度搅拌90
秒，完成后取出冷却。
[0052]
ss4、采用全方位水冷，在坩埚的底部以及四周以相同的水速冷却坩埚。冷却凝固后取出泡沫结构件，去除表皮，切出长度为150mm，直径为30mm的圆柱样品备用。
[0053]
ss5、将圆柱样品放入加热至540℃的电阻炉中保温10小时，取出后淬火。
[0054]
ss6、将淬火后的试样用保温棉包裹四周，在样品一端采用100℃水浴加热，另一端采用流动冷却水冷却，保温7小时。保温过程中在样品中等距插入五根热电偶测量温度，概念图如图2所示。温度检测结果如图3所示。
[0055]
ss7、将时效好的样品取出空冷。从样品的热端到冷端依次等分取出30mm长度的压缩样品，标号为1、2、3、4，对样品进行压缩测试，得到检测结果如图4、5所示。
[0056]
实施结果：
[0057]
实验所得泡沫铝铜合金结构件的孔隙率为81.2％。图3展示了样品在时效过程中的温度测试结果，表明在时效过程中泡沫铝合金样品中存在显著的温度梯度，热电偶从加热段到冷却端平衡时的温度为：175℃，139℃，109℃，85℃，60℃。从加热段到冷却端截取压缩样品1，样品2，样品3，样品4。其压缩结果如图4所示，图4结果表明样品的屈服应力从加热端到冷却端逐渐下降，从样品1到样品4依次为22.8mpa，19.9mpa，17.8mpa，16.2mpa，对应的平台段应力也呈现逐步下降的趋势，时效梯度热场的加热端(样品1)屈服强度较冷却端(样品4)提高了40.7％。在加热端取2倍样品1长度的泡沫铝柱作为梯度样，与未时效处理的样品作对比，压缩结果在图5中所示，梯度样屈服强度为22.5mpa，应力应变曲线同时具备样品1和样品2压缩响应的特征，样品1与样品2的应力应变曲线的平台阶段表现有所不同，样品1的平台阶段曲线变化趋势为波动上升，而样品2的平台阶段曲线趋势变化为先波动下降，后缓慢上升。梯度样品平台阶段曲线趋势变化为当应变处于0.4之前波动下降，之后为线性上升。结果表明可以通过控制时效过程中梯度温实现泡沫铝的强度梯度制备，从而调整泡沫铝材料的变形行为。
[0058]
在样品中加以温度梯度时效强化会在泡沫铝合金中形成铝铜相的微结构梯度，铝铜合金时效强化后会形成强化相，在基体中弥散分布析出，强化相的形状与大小受时效温度的控制。所以最终形成了强度梯度结果，如压缩结果所示。且梯度样的压缩行为与所有区域强度叠加后的变形行为类似，为梯度样压缩变形。
[0059]
实施例2：
[0060]
ss1、将纯度99.99％的铝锭850克与99.99％的铜锭9克放入电阻炉中的坩埚中，升温至800℃熔融，使用搅拌器以300转每分钟的转速搅拌30分钟使得铝铜熔体充分混合均匀，并降温至680℃保温。
[0061]
ss2、将碳化硅25.8克，钙粒4.3克分别包好后再按照先加入钙粒再加入碳化硅的顺序加入熔体中，每次放入后用搅拌器以900转每分钟的速度搅拌10分钟，控温至675℃保温。
[0062]
ss3、加入12.9克的氢化钛作为发泡剂，加入后搅拌器以1200转每分钟的速度搅拌90秒，完成后取出冷却。
[0063]
ss4、采用全方位水冷，在坩埚的底部以及四周以相同的水速冷却坩埚。冷却凝固后取出泡沫结构件，去除表皮，切出长度为150mm，直径为30mm的圆柱样品备用。
[0064]
ss5、将圆柱样品放入加热至520℃的电阻炉中保温10小时，取出后淬火。
[0065]
ss6、将淬火后的试样用保温棉包裹四周，在样品一端采用100℃恒温加热，另一端采用流动冷却水冷却，保温7小时。保温过程中在样品中等距插入五根热电偶测量温度，概念图如图2所示。
[0066]
ss7、将时效好的样品取出空冷。从样品的热端到冷端依次等分取出30mm长度的压缩样品，标号为1、2、3、4，对样品进行压缩测试。
[0067]
实施结果：
[0068]
实验所得铝铜泡沫结构件的孔隙率为80.1％。热电偶从加热段到冷却端平衡时的温度为：92℃，81℃，72℃，66℃，48℃。从加热段到冷却端截取压缩样品1，样品2，样品3，样品4。其压缩结果如图4所示，图4结果表明样品的屈服应力从加热端到冷却端逐渐下降，从样品1到样品4依次为9.8mpa，9.7mpa，5.1mpa，4.8mpa，对应的平台段应力也呈现逐步下降的趋势，时效梯度热场的加热端(样品1)屈服强度较冷却端(样品4)提高了51.0％。在加热端取2倍样品1长度的泡沫铝柱作为梯度样，与未时效处理的样品作对比，梯度样屈服强度为9.8mpa，应力应变曲线同时具备样品1和样品2压缩响应的特征，样品1与样品2的应力应变曲线的平台阶段表现有所不同，样品1的平台阶段曲线变化趋势为波动上升，而样品2的平台阶段曲线趋势变化为先波动下降，后缓慢上升。结果表明可以通过控制时效过程中梯度温实现泡沫铝的强度梯度制备，从而调整泡沫铝材料的变形行为。
[0069]
在样品中加以温度梯度时效强化会在泡沫铝合金中形成铝铜相的微结构梯度，铝铜合金时效强化后会形成强化相，在基体中弥散分布析出，强化相的形状与大小受时效温度的控制。所以最终形成了强度梯度结果，如压缩结果所示。且梯度样的压缩行为与所有区域强度叠加后的变形行为类似，为梯度样压缩变形。
[0070]
实施例3：
[0071]
ss1、将纯度99.99％的铝锭850克与99.99％的铜锭50克放入电阻炉中的坩埚中，升温至800℃熔融，使用搅拌器以300转每分钟的转速搅拌30分钟使得铝铜熔体充分混合均匀，并降温至680℃保温。
[0072]
ss2、将碳化硅45.0克，钙粒7.2克分别包好后再按照先加入钙粒再加入碳化硅的顺序加入熔体中，每次放入后用搅拌器以950转每分钟的速度搅拌10分钟，控温至675℃保温。
[0073]
ss3、加入13.5克的氢化钛作为发泡剂，加入后搅拌器以1200转每分钟的速度搅拌90秒，完成后取出冷却。
[0074]
ss4、采用全方位水冷，在坩埚的底部以及四周以相同的水速冷却坩埚。冷却凝固后取出泡沫结构件，去除表皮，切出长度为150mm，直径为30mm的圆柱样品备用。
[0075]
ss5、将圆柱样品放入加热至535℃的电阻炉中保温10小时，取出后淬火。
[0076]
ss6、将淬火后的试样用保温棉包裹四周，在样品一端采用200℃水浴加热，另一端采用流动冷却水冷却，保温7小时。保温过程中在样品中等距插入五根热电偶测量温度，概念图如图2所示。
[0077]
ss7、将时效好的样品取出空冷。从样品的热端到冷端依次等分取出30mm长度的压缩样品，标号为1、2、3、4，对样品进行压缩测试。
[0078]
实施结果：
[0079]
实验所得铝铜泡沫结构件的孔隙率为82.0％。热电偶从加热段到冷却端平衡时的
温度为：190℃，152℃，133℃，108℃，89℃。从加热段到冷却端截取压缩样品1，样品2，样品3，样品4。其压缩结果如图4所示，图4结果表明样品的屈服应力从加热端到冷却端逐渐下降，从样品1到样品4依次为17.8mpa，16.1mpa，14.3mpa，11.6mpa，对应的平台段应力也呈现逐步下降的趋势，时效梯度热场的加热端(样品1)屈服强度较冷却端(样品4)提高了35.0％。在加热端取2倍样品1长度的泡沫铝柱作为梯度样，与未时效处理的样品作对比，梯度样屈服强度为17.7mpa，应力应变曲线同时具备样品1和样品2压缩响应的特征，样品1与样品2的应力应变曲线的平台阶段表现有所不同，样品1的平台阶段曲线变化趋势为波动上升，而样品2的平台阶段曲线趋势变化为先波动下降，后缓慢上升。结果表明可以通过控制时效过程中梯度温实现泡沫铝的强度梯度制备，从而调整泡沫铝材料的变形行为。
[0080]
在样品中加以温度梯度时效强化会在泡沫铝合金中形成铝铜相的微结构梯度，铝铜合金时效强化后会形成强化相，在基体中弥散分布析出，强化相的形状与大小受时效温度的控制。所以最终形成了强度梯度结果，如压缩结果所示。且梯度样的压缩行为与所有区域强度叠加后的变形行为类似，为梯度样压缩变形。

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